MECCANICA e DINTORNI

Allora veniamo al dunque.
La frestarice di questo post ha un motore da 1100W, 9 velocita' da 150 a 2500 giri con cambio tramite cinghie e pulegge.
Ora potrei tenermi tutto cosi' com'e' e smazzarmi il cambio di velocita' muovendo le cinghie, ma volendo complicarmi un po' (meno) la vita vorrei poter variare la velocita' comodamente tramite un potenziometrino....
Ora mi si prospettano due strade.
La prima e' quella di passare ad un motore cc con controllo PWM.
La seconda e' quella di passare ad un motore trifase con inverter.
"Tertium non datur"...

Illuminami sui pro e contro delle due scelte dato che io per quanto mi guardi in giro non riesco a decidere.

Grazie
Alberto

In primis, ho preaprato un diagrammino per spiegarti meglio la faccenda della coppia.
Appena riesco a ridimensionare l'immagine lo posto.

Riguardo al motore, un cc con controllo pwm, o un trifase con inverter, hanno all'incirca la stessa caratteristica di regolazione della velocità (l'inverter è meno performante per quanto riguarda la regolazione in coppia, ma non è il tuo caso).
Dei due, il trifase con inverter è il più economico e diffuso commercialmente, quindi consigliabile in questo caso.

Da notare però che non potrai sostituire completamente l'utilizzo del cambio con la regolazione dell'inverter, per due principali motivi:
-La regolazione con inverter (ma anche con un motore in dc sarebbe lo stesso), al di sotto del regime nominale del motore è a coppia costante, mentre un cambio ti permette di ottenere bassi giri a potenza costante, quindi con coppia maggiore. In altre parole, se inserisci una marcia che ti permetta un regime dimezzato otterrai la stessa potenza e una coppia raddoppiata, mentre dimezzando i giri con un inverter otterrai sempre la stessa coppia (quindi non raddoppiata) e la potenza ti si dimezzerà. Per una macchina utensile, nella quale solitamente i bassi giri si utilizzano per utensili e pezzi grandi che richiedono sforzi e quindi coppie maggiori, questo è uno svantaggio.
-Il secondo svantaggio è dovuto alla necessità di una ventilazione separata del motore, se si vuole utilizzarlo a regimi inferiori a quello nominale (i canonici 50 Hz). Diminuento infatti i giri, il motore dissipa all'incirca sempre la stessa potenza, ma il raffreddamento della ventola del motore è fortemente penalizzato (dipende all'incirca dal quadrato della velocità). I motori per utilizzo continuativo al di sotto della frequenza nominale sono servoventilati, cioè hanno la ventola di raffreddamento azionata da un secondo motore, sempre acceso.

Questo non vuol dire che l'inverter sia inutile, ma non può sostituire (almeno integralmente) il cambio meccanico.
Io lo monterei, ma cercerei di utilizzare sempre il motore intorno al suo regime nominale. L'inverter ti darà comunque il vantaggio di una partenza dolce, ti salverà il motore in caso di ripetute partenze e arresti, ti permetterà brevi variazioni di velocità senza cambiare marcia (ad esempio per utilizzare un centratore, per fare una maschiatura veloce, ecc...).
Inoltre, andando oltre la frequenza nominale (se motore e trasmissione lo permettono), guadagnerai qualche giro, buono per utensili molto piccoli.

Ecco il grafico che ti ha tratto in inganno.
Come vedi la caratteristica coppia/velocità è una retta molto ripida, che sale velocemente al diminuire dei giri. La zona di utilizzazione è però limitata dalla corrente massima assorbibile dal motore, e corrisponde ad un breve tratto della caratteristica, che può quindi essere ritenuta praticamente verticale. Per diminuire i giri è quindi necessario diminuire la tensione di alimentazione, ottenendo l'effetto di traslare verso sinistra la caratteristica del motore. La zona di utilizzo (quella tratteggiata) è quindi delimitata in alto dalla massima corrente assorbibile dal motore, e a destra dalla massima tensione di alimentazione. Quest'ultima è lievemente inclinata, quindi a vuoto si ottiene una velocità leggermente superiore rispetto a quella a pieno carico (al limite di corrente). La differenza però è poca, e la caratteristica può ressere ritenuta verticale.
La pendenza della caratteristica è data dalla resistenza di armatura del motore. Se tale resistenza fosse nulla la caratteristica assumerebbe andamento perfettamente verticale, provocando, per poco che calino i giri, aumenti infiniti di corrente. Di fatto la caratteristica è comunque molto ripida.

Se prendiamo i dati di un motore reale vediamo l'entità della caratteristica:
Regime nominale: 3000 rpm
Tensione nominale: 90 V
Corrente nominale: 6.6 A
Resistenza di armatura: 0.86 ohm

La caratteristica con alimentazione a 90 V è quindi una retta che passa per l'asse delle ascisse al punto 3000 rpm, e per l'asse delle ordinate al punto:

I = Vdc / Ra = 90 / 0.86 = 104 A

Valore teorico, perchè non sarebbe sopportabile dal motore.
Il campo di utilizzo deve essere limitato dai 6.6 A nominali, quindi la coppia realmente disponibile sarà costante al variare dei giri.

Grazie. Vorra' dire che mi orientero' verso il trifase.
Ma a questo punto come devo dimensionare il tutto per ottenere delle prestazioni uguali o (meglio) superiori a quelle fornite dal motore originale? Devo raddoppiare i valori di potenza e velocita'? E di conseguenza che inverter abbinero?

Attendo i grafici delle curve. Grazie

Per ottenere prestazioni uguali a quelle del motore originale ti basterà un motore... uguale all'originale ovviamente. Per montare un motore più potente dovresti anche verificare che la trasmissione sia poi in grado di sopportare un aumento di potenza, cosa non proprio consigliabile.

Un motore più grande potrebbe servirti per recuperare coppia a regimi più bassi, però ci sarebbe sempre il problema del raffreddamento. Se un motore tradizionale costa poco, per un servoventilato ci vuole molto di più, e non ti conviene.
L'inverter ti sarà utile, ma non potrai utilizzare il motore a bassi regimi per troppo tempo. Ti ricordo che già all'70 % della velocità nominale il raffreddamento del motore è dimezzato.
Puoi utilizzare una riduzione di giri effettuata tramite inverter per brevi periodi e sforzi limitati. Ad esempio puoi utilizzare un centratore a piattello a bassi giri senza dover cambiare marcia, puoi effettuare una maschiatura, e lavoretti leggeri e veloci.
Se un utensile richiede un numero di giri basso non puoi che ottenerlo mediante il cambio.

Quindi, se proprio il motore attuale non è sottodimensionato, io monterei un motore uguale all'originale (al limite leggermente sovradimensionato, ma poco) e il relativo inverter.

Io al mio tornio ho montato un motore più piccolo dell'originale (2,2 KW contro 3,7 KW), ma si trattava di una macchina di quelle vecchie, generosamente sovrabbondanti. Inoltre lo uso sempre a 50 hz, usando l'inverter solo per operazioni di centratura e per rallentamenti di breve durata.

Il problema del riscaldamento eccessivo non potrebbe essere risolto con una ventola sul motore?
Non so, dico. Poi magari non c'e' fisicamente lo spazio per far circolare l'aria, o non ci sono delle fessure adatte....
Io pensavo che l'inverter fosse la panacea per risolvere i problemi relativi ai cambi di velocita'. Non sapevo che dovesse essere utilizzato cosi' attentamente sia alle alte che alle basse frequenze.
Quindi non vedo tutto questo beneficio nell'avere un inverter e un motore trifase o comunque non vedo la convenienza ad operare in queste condizioni. Magari le cose possono essere piu' favorevoli con un motore cc e relativo azionamento?
Dall'analisi che hai fatto precedentemente direi che anche in questo caso i benefici non sono tali da valere la "candela".
Boh, a questo punto rimango perplesso e sinceramente penso che mi terro' la configurazione originale anche se un po' scomoda per via del sistema cinghia/puleggia.
Certo l'idea di aumentare un po' la potenza (diciamo 2KW?) su una macchina che sembrerebbe reggere la modifica, sia per rigidita' che per sistema di lavorazione (testa fissa e banco mobile in altezza) mi attira...

Riguardo al raffreddamento ai bassi giri la ventola ausiliaria è quello che ci vuole. I motori servoventilati hanno appunto una ventola ausiliaria mossa da un secondo motorino, che viene tenuto sempre acceso. Puoi anche costruirtela da te, basta che sia equivalente a quella originale del motore (in quanto a flusso di aria). In questo modo puoi anche togliere la ventola originale.

Con gli inverter si fanno molte cose, ma sulle macchine utensili alcune sono utili, altre no. In particolare i vantaggi sono:
-Eventuale conversione di tensione alimentazione monofase in trifase (problema molto sentito negli hobbisti che lavorano in casa).
-Utilizzo di rampe di accelerazione e decelerazione, evitando picchi di assorbimento e sollecitazione sul motore in caso di numerose ripartenze (es, per filettare sul tornio). Il motore ne giova molto, e sempre in caso di impianti con bassa potenza utilizzabile (come quelli di casa), si evitano scatti intempestivi degli interruttori dell'impianto. Questo dipende anche dalla potenza del motore, un conto è avviare una fresetta con un motore da 500 W, un conto è avviarne una con un motore da 3 KW.
-Protezione del motore da sovraccarichi.
-Possibilità di brevi variazioni di velocità (più ampie se si monta un motore servoventilato).

Il principale svantaggio, o meglio sarebbe dire un "non vantaggio" è quello che l'inverter, e qualunque azionamento elettrico in generale (quindi anche un azionamento DC), al di sotto del regime nominale variano la velocità mantenendo COSTANTE LA MASSIMA COPPIA DISPONIBILE (quando lavora bene).
In una macchina che ha sforzi costanti questo è ottimale, ma una macchina utensile solitamente ha l'esigenza di variare i giri MANTENENDO COSTANTE LA POTENZA, quindi incrementando la coppia disponibile al diminuire della velocità. Questo perchè le basse velocità sono utilizzate per far lavorare utensili più grossi, che richiedono quindi più coppia.
Ragionando in altri termini, ipotizziamo di lavorare ad un tornio, con un certo utensile, che ovviamente ha certi parametri di taglio ottimali. Se dobbiamo lavorare due pezzi dello stesso materiale, uno di diametro doppio dell'altro, quello più grosso, per mantenere la stessa velocità di taglio deve girare a metà dei giri, ma avendo lo stesso sforzo di lavorazione e raggio doppio, richiederà una coppia doppia al mandrino, e quindi una potenza uguale al pezzo piccolo.

Nessun motore elettrico ha, al di sotto del regime nominale, una caratteristica del genere. La possiedono però al di sopra del regime nominale, se sono costruiti per potervi funzionare. Sono solitamente di questo tipo gli elettromandrini ad alto numero di giri, dove, in un range abbastanza ampio (da regime nominale a quello massimo) presentano una caratteristica a potenza costante. In questo caso i vantaggi sono indubbi.
In una macchina tradizionale, nata con il cambio e con motori "tradizionali" l'unico espediente possibile (in teoria) sarebbe quello di lasciare innestata la marcia più bassa, e ottenere giri maggiori mediante inverter, mandando il motore al di sopra del suo regime nominale. La cosa potrebbe funzionare solo in teoria, perchè osservando il range di giri di utilizzo di una macchina utensile si vede che si dovrebbe lanciare il motore a regimi elevatissimi, certamente non permessi nè dal motore stesso nè dalla trasmissione.
Inoltre i motori tradizionali hanno poco margine per andare oltre il regime nominale. Esistono motori con range più alto, utilizzati spesso in ambito indistriale, ma sono ovviamente più costosi. Ad esempio, un motore 4 poli, quindi con regime nominale pari a 1400 rpm circa, può avere un regime massimo di 5000-6000 rpm. In questo range la potenza sviluppata è praticamente costante, e sarebbe adatta all'utilizzo con una macchina utensile. Si tratta però di un range non sufficiente a coprire tutte le esigenze. Può essere utile per ridurre il numero di marce necessarie.

Per guadagnare potenza in basso si utilizza a volte il sistema di sovradimensionare il motore (per recuperare coppia, che poi sarà esuberante agli alti giri), però ovviamente la trasmissione lo deve permettere.
In altre parole, facendo un esempio, un motore da 1KW, 4 poli (1400 rpm), alimentato a 50 Hz con riduzione 1:2 fa 700 rpm (ovviamente) con la stessa coppia di un motore da 2 KW, 4 poli (1400 rpm), alimentato a 25 Hz. Il secondo motore, a spese di un sovradimensionamento e di una servoventilazione, permette di non usare la riduzione meccanica (1:2 in questo esempio).

La coperta è un po' corta, ma si può giocarci su un pochino. Es, raddoppiando la potenza nominale, scegliendo un motore ad alto numero di giri massimo, si potrebbe coprire un range da 700 a 5000 rpm, avendo coppia sufficiente. In tale modo, un cambio a 12-16 velocità tradizionale di una macchina utensile, potrebbe ridursi a un cambio a 2-3 velocità, con vantaggi nella rapidità di cambio regime. Ma se tale vantaggio ha forse senso su una macchina industriale che deve fare produzione, per un hobbista mi sembra sprecato...

Restano gli altri piccoli vantaggi, che nell'ottica di avere una buona macchina, senza pretendere di sostituire la funzionde del cambio, sono molto utili.